A piezoelectric ceramic fiber composite (PCFC) was successfully fabricated using $0.69Pb(Zr_{0.47}Ti_{0.53})O_3-0.31[Pb(Zn_{0.4}Ni_{0.6})_{1/3}Nb_{2/3}]O_3$ (PZT-PZNN) for use in small-scale wind energy harvesters. The PCFC was formed using an epoxy matrix material and an array of Ag/Pd-coated PZT-PZNN piezo-ceramic fibers sandwiched by Cu interdigitated electrode patterned polyethylene terephthalate film. The energy harvesting performance was evaluated in a custom-made wind tunnel while varying the wind speed and resistive load with two types of flutter wind energy harvesters. One had a five-PCFC array vertically clamped with a supporting acrylic rod while the other used the same structure but with a five-PCFC cantilever array. Stainless steel (thickness: $50{\mu}m$) was attached onto one side of the PCFC to form the PZT-PZNN cantilever. The output power, in general, increased with an increase in the wind speed from 2 m/s to 10 m/s for both energy harvesters. The highest output power of $15.1{\mu}W$ at $14k{\Omega}$ was obtained at a wind speed of 10 m/s for the flutter wind energy harvester with the PZT-PZNN cantilever array. The results presented here reveal the strong potential for wind energy harvester applications to supply sustainable power to various IoT micro-devices.
Jo, Seo-Hyeon;Nam, Sung-Pil;Lee, Sung-Gap;Lee, Seung-Hwan;Lee, Young-Hie;Kim, Young-Gon
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제12권5호
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pp.193-196
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2011
Lead zirconate titanate (PZT)/ bismuth ferrite (BFO) multilayer thin films have been fabricated by the spin-coating method on Pt(200 nm)/Ti(10 nm)/$SiO_2$(100 nm)/p-Si(100) substrates using $BiFeO_3$ and $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3$ metal alkoxide solutions. The PZT/BFO multilayer thin films show a uniform and void-free grain structure, and the grain size is smaller than that of PZT single films. The reason for this is assumed to be that the lower BFO layers play an important role as a nucleation site or seed layer for the formation of homogeneous and uniform upper PZT layers. The dielectric constant and dielectric losses decreased with increasing number of coatings, and the six-layer PZT/BFO thin film has good properties of 162 (dielectric constant) and 0.017 (dielectric losses) at 1 kHz. The remnant polarization and coercive field of three-layer PZT/BFO thin films were 13.86 ${\mu}C/cm^2$ and 37 kV/cm respectively.
In this study, in order to develop the composition ceramics for ultrasonic sensor with high $d_{33}*g_{33}$, $Pb_{1-3x/2}Bix(Mg_{1/2}W_{1/2})_{0.03}(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.09}(Zr_{0.5}Ti_{0.5})_{0.88}O_3$(PMW-PNN-PZT) system ceramics were prepared using CuO as sintering aids. And then, their microstructure, piezoelectric and dielectric characteristics were systemetically investigated with bismuth substitution. The PMW-PNN-PZT ceramic specimens could be sintered at sintering temperature of $940^{\circ}C$ by adding sintering aids. At x=0.015 specimen, the density, electromechanical coupling factor($k_p$), dielectric constant, piezoelectric constant($d_{33}$) and piezoelectric figure of merit($d_{33}*g_{33}$) indicated the optimal properties of $7.90g/cm^3$, 0.67, 2,511, 628 pC/N, and $17.7pm^2/N$, respectively, for duplex ultrasonic sensor application.
Ferroelectric PZT heterolayered thin films were fabricated by spin coating method on the Pt/Ti/SiO2/Si substrate using PZT(10/90) and PZT(90/10) m7etal alkoxide solutions. All PZT heterolayered films showed a homogeneous grain structures without presence of rosette structure. It can be assumed that the lower PZT layers played a role of nucleation site for the formation of the upper PZT layer. Pb-deficient PZT phase was formed at PZT/Pt interface due to the diffusion of Pb element into a Pt bottom electrode. The relative dielectric constant and the dielectric loss of the PZT-6 film were 567 and 3.6%, respectively. Increasing the number of coatings, remanent polarization and coercive field were decreased and the values of the PZT-6 heterolayered film were $7.18\muC/cm^2$ and 68.5kV/cm, respectively. Leakage current densities were increased with increasing the number of coatings, and the value of the PZT-4 film was about $7\times10-8A/cm^2$ at 0.05MV/cm.
Nano-composite solders have been studied to improve the properties of Pb-free solder joints. The nanoparticles in the composite solders were carbon nanotubes(CNTs), metals (Ag, Ni, Cr, etc.), ceramics (SiC, $ZrO_2$, $TiB_2$, etc.). To fabricate the nano-composite solders, mechanical mixing methods and in-situ fabrication method has been used for well-dispersed nano phase. The characteristic properties of the nano-composite solders were high creep resistance, low undercooling, low IMC growth rate and fine microstructures. More researches on the nano-composite solders are required to improve the processibility and the reliability of the nano-composite solder joints.
This Paper present a new structure for a piezoelectric transformer, operating in thickness extensional vibration mode. Modified PbTiO$_3$ family ceramics were used for the Piezoelectric transformer, because it is a material with large anisotropy between electromechanical coupling facters k$\sub$t/ and k$\sub$p/. Piezoelectric transformer was fabricated that is 20mm long, 20mm wide and 3.1mm thick. Resonant frequencies of sencond thickness extensional vibration mode is 1.72MHz at loading resistance 100{$\Omega$]. And Voltage gain of piezoelectric ceramics is showed 0.53 at resonant frequency of sencond thickness extensional vibration mode.
This paper presents a new structure for a piezoelectric transformer, operating in thickness extensional vibration mode. Modified $PbTiO_3$ family ceramics were used for the piezoelectric transformer, because it was a material with large anisotropy between elecromechanical coupling factors $K_t$ and $K_p$ . The size of piezoelectric transformer was 20mn long, 20mm wide and 3.1mm thick. The second harmonic resonant frequency of thickness extensional vibration mode was 0.72MHz at loading resistance 100[$\omega$], And Voltage gin of piezoelectric ceramics showed 0.53 at resonant frequency of sencond thickness extensional vibration mode.
Piezoelectric or magnetostrictive materials, known as smart materials, have been researched widely for sensors or actuators in micro system technology. In our research, thick sol-gel lead zirconate titanate(Pb(Zr$\sub$1-x/Ti$\sub$x/)O$_3$) films were fabricated and their characteristics were investigated f3r angular rate sensor applications. The thickness of the PZT films is 1.5${\mu}$m, which is required by a vibration angular rate sensor for a good actuation and sensing. The remnant polarization of the PZT flms is 12.0 ${\mu}$C/$\textrm{cm}^2$. The electromechanical constants of PZT thin film showed the value of susceptance(B) of 4800${\mu}$ s at capacitance of 790pF. The PZT films were applied to the vibration angular rate sensor structure and the vibration of 1.78 ${\mu}$m in amplitude at the resonant frequency of 35.8㎑ was obtained by driving voltage of 5V$\sub$p-p/ of bulk piezoelectric materials with out of phase signal through voltage and inverting amplifier.
For use in ultrasonic actuators, we investigated the structural and piezoelectric properties of $(1\;-\;x)Pb(Zr_{0.515}Ti_{0.485})O_3$ - $xPb(Sb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ + 0.5 wt% $MnO_2$ [(1 - x)PZT - xPSN + $MnO_2$] ceramics with a variation of x (x = 0.02, 0.04, 0.06, 0.08). All the ceramics, which were sintered at $1250^{\circ}C$ for 2 h, showed a typical perovskite structure, implying that they were well synthesized. A homogeneous micro structure was also developed for the specimens, and their average grain size was slightly decreased to $1.3{\mu}m$ by increasing x to 0.8. Moreover, a second phase with a pyrochlore structure appeared when x was above 0.06, which resulted in the deterioration of their piezoelectric properties. However, the 0.96PZT-0.04PSN+$MnO_2$ ceramics, which corresponds with a morphotropic phase boundary (MPB) composition in the (1 - x)PZT - xPSN + $MnO_2$ system, exhibited good piezoelectric properties: a piezoelectric constant ($d_{33}$) of 325 pC/N, an electromechanical coupling factor ($k_p$) of 70.8%, and a mechanical quality factor ($Q_m$) of 1779. The specimens with a relatively high curie temperature ($T_c$) of $305^{\circ}C$ also showed a significantly high dielectric constant (${\varepsilon}_r$) value of 1109. Therefore, the 0.96PZT - 0.04PSN + $MnO_2$ ceramics are suitable for use in ultrasonic vibrators.
Multilayered actuators using Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3 (PMN-PIN-PT) crystals have demonstrated excellent properties, but are costly and lack mechanical strength. Textured PMN-PIN-PT ceramics exhibit robust mechanical strength and comparable properties to their single crystals form. However, the development of multilayered actuators using textured PMN-PIN-PT ceramics has not been achieved until now. This study presents the development of a multilayered actuator using textured 0.37PMN-0.29PIN-0.34PT ceramics with an Ag0.9/Pd0.1 inner electrode, co-fired at 950℃. A random 0.37PMN-0.29PIN-0.34PT ceramics multilayered actuator was also developed for comparison. The multilayered actuator consisted of 9 ceramic layers (36 ㎛ thickness) with an overall actuator thickness of 0.401 mm. The textured and random 0.37PMN-0.29PIN-0.34PT ceramics-based multilayered actuators achieved displacements of 0.61 ㎛ (0.15% strain) and 0.23 ㎛ (0.057% strain) at a low applied peak voltage of 100 V. These results suggest that the developed multilayered actuator using high-performance textured 0.37PMN-0.29PIN-0.34PT ceramics has the potential to replace expensive single crystal-based actuators cost-effectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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